38 GHz無(wú)線電系統(tǒng)在磁浮交通中的應(yīng)用

盛雄偉

(上海磁浮交通發(fā)展有限公司，201204，上?！胃呒?jí)工程師)

1 系統(tǒng)概述

在上海磁浮示范運(yùn)營(yíng)線上，運(yùn)行控制系統(tǒng)(OCS)是整個(gè)磁浮交通系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。無(wú)線電系統(tǒng)作為運(yùn)行控制系統(tǒng)的一部分，提供了車(chē)載運(yùn)行控制系統(tǒng)(VSC)設(shè)備和固定OCS設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)連接。其主要功能為實(shí)現(xiàn)操作控制數(shù)據(jù)、牽引系統(tǒng)數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)、旅客信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換，以及磁浮車(chē)輛和控制中心之間的語(yǔ)音通信(見(jiàn)圖1)。

圖1 無(wú)線電(38 GHz)主要功能示意圖

用于這一傳輸?shù)?8 GHz頻帶工作的毫米波無(wú)線電收/發(fā)機(jī)安裝在沿線上和車(chē)輛的兩端。該無(wú)線電系統(tǒng)在速度超過(guò)500 km/h的車(chē)輛上使用時(shí)效果最佳。

2 毫米波的特點(diǎn)

通常按電磁頻譜，將30～300 GHz范圍(波長(zhǎng)為1～10 mm級(jí))內(nèi)的電磁波稱(chēng)為毫米波。毫米波屬于微波范圍。微波是指波長(zhǎng)為1 m～1 mm的電磁波?？梢?jiàn)毫米波位于微波的高端，其上限與亞毫米波毗鄰且靠近光波。上海磁浮示范運(yùn)營(yíng)線中用的就是38 GHz的毫米波。

毫米波介于微波與紅外之間，具有特有的大氣傳輸特性、可利用頻帶寬及天線波束窄等三大特點(diǎn)，在武器的精確制導(dǎo)、目標(biāo)識(shí)別和檢測(cè)、雷達(dá)、通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2.1 可利用頻帶寬

按30～300 GHz這一范圍計(jì)算，整個(gè)毫米波帶寬高達(dá)270 GHz，是短波頻段的10 000倍，是厘米波總帶寬的10倍。實(shí)際上，考慮到大氣的影響，通常選用大氣吸收峰以外的“窗口”。因此，常用的毫米波頻譜資源十分豐富，可滿足信息時(shí)代人們對(duì)高速數(shù)據(jù)、寬帶圖像業(yè)務(wù)等大容量信息傳輸處理的需要。例如，利用35 GHz附近的“大氣窗口”，可傳送3 000路符合MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)的彩色廣播電視信號(hào)，或250 000路雙向ADPCM(自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制)數(shù)字電話。如再加上空分技術(shù)、正交極化技術(shù)等頻率費(fèi)用技術(shù)，則其同時(shí)支持的通信容量還要大得多。

2.2 天線的波束寬度窄

孔徑天線或列陣天線的波束寬度都是與天線直徑及工作頻率成反比的。毫米波天線具有較高的角分辨率。毫米波與光波在頻譜表上相距甚近，因而具有類(lèi)似于光波的特性，非常有利于射頻設(shè)備的小(微)型化，并可獲得強(qiáng)方向性。眾所周知，光波可以通過(guò)尺寸甚小的透鏡、拋物面發(fā)射鏡的聚合作用，形成很強(qiáng)的定向照射;毫米波也具有類(lèi)似光波的特性，利用幾何光學(xué)原理，構(gòu)成各種天線，毫米波也可以形成很強(qiáng)的定向輻射。正是因?yàn)橥ㄐ盘炀€方向性很強(qiáng)，因此毫米波通信系統(tǒng)抗干擾、抗截獲能力很強(qiáng)。通常太陽(yáng)黑子的活動(dòng)會(huì)影響衛(wèi)星微波通信，因?yàn)槠浼ち业淖兓瘒?yán)重影響電離層。因此，微波通過(guò)電離層時(shí)，信號(hào)將發(fā)生大的改變。而磁浮無(wú)線電系統(tǒng)是地面點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，因此受這類(lèi)的自然現(xiàn)象影響較小。

3 無(wú)線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

無(wú)線電系統(tǒng)由中央無(wú)線控制單元(CRCU)、分區(qū)無(wú)線控制單元(DRCU)、無(wú)線電基站(RBS)和車(chē)載無(wú)線電子系統(tǒng)等幾部分組成。CRCU位于控制中心，是控制中心和列車(chē)之間利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行旅客信息和診斷數(shù)據(jù)傳輸以及語(yǔ)音通訊的接口。這些非控制信息通過(guò)CRCU處理后，經(jīng)過(guò)DRCU與車(chē)載無(wú)線控制單元(MRCU)傳輸至車(chē)輛。參見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)線電(38 GHz)結(jié)構(gòu)圖

3.1 CRCU

CRCU位于控制中心。它是控制中心和車(chē)輛之間利用平行于線路的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行旅客信息和診斷數(shù)據(jù)傳輸以及語(yǔ)音通訊的接口。無(wú)線電系統(tǒng)為話音通信提供了1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的E1接口，借以連接到1個(gè)電信交換機(jī)。車(chē)輛與車(chē)輛之間不提供直接聯(lián)系。此外CRCU收集無(wú)線電系統(tǒng)的診斷數(shù)據(jù)，并向運(yùn)行控制系統(tǒng)(OCS)中央在線診斷(DTS)提供最高層的錯(cuò)誤信息。同時(shí)，詳細(xì)的錯(cuò)誤信息顯示在以LRU(線路可替換單元)為基礎(chǔ)的CRCU監(jiān)視器上。另外，在CRCU計(jì)算機(jī)上可以對(duì)無(wú)線電系統(tǒng)進(jìn)行配置，如基站工作范圍、IP地址等。

3.2 DRCU

DRCU位于2個(gè)牽引變電所的運(yùn)行控制系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)，每個(gè)DRCU最多可連接2個(gè)分區(qū)運(yùn)行控制系統(tǒng)，并可在1個(gè)或多個(gè)軌道組成的特定線路區(qū)段內(nèi)控制無(wú)線電傳輸。它與車(chē)載無(wú)線電設(shè)備共同完成車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸，通過(guò)其自己的光纖網(wǎng)絡(luò)對(duì)RBS收集數(shù)據(jù)，控制連接的基站。

DRCU由1個(gè)冗余的控制器系統(tǒng)組成。它控制RBS連接，即僅觸發(fā)列車(chē)所在的1個(gè)RBS建立與列車(chē)的連接。診斷信息通過(guò)廣域網(wǎng)(WAN)從各個(gè)DRCU發(fā)送到CRCU。此外，通過(guò)固定的數(shù)據(jù)傳輸，它也傳送CRCU需要的無(wú)線電系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。

3.3 RBS

RBS由無(wú)線電桿、帶供電的連接箱、基站控制器、基站組合天線、基站收發(fā)器等組成。連接箱安裝在無(wú)線電桿的下端，需要提供AC 230 V電源的連接，以及OFN(光纖網(wǎng)絡(luò))的連接。此外，由主電源變換到低壓電源提供給基站控制器和無(wú)線電收發(fā)器。基站控制器位于連接箱內(nèi)，是光纖與基站收發(fā)器的接El?；臼瞻l(fā)器負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)送和接收。

當(dāng)該RBS沒(méi)有激活時(shí)，就作為光纖信號(hào)的中繼器(提供光電轉(zhuǎn)換)，將信號(hào)傳送到下一個(gè)RBS?；窘M合天線包含4根天線。兩根天線是作為兩個(gè)相反方向的發(fā)送和接收用;另外兩根天線(一個(gè)方向一根)是接收天線，是附加的接收通道以獲得空間分集。每對(duì)天線(一個(gè)方向)能夠單獨(dú)調(diào)整以沿軌道方向獲得最佳的無(wú)線電波束。使用兩種工廠預(yù)制的天線類(lèi)型，一種設(shè)計(jì)成用于彎道使用的寬輻射角度類(lèi)型，另外一種設(shè)計(jì)成用于長(zhǎng)直線運(yùn)行的窄輻射角度類(lèi)型以獲得較高的增益。

在故障時(shí)毫米波天線收發(fā)器能夠容易地從組合天線中進(jìn)行拆裝，不需要進(jìn)行重新調(diào)整天線或者對(duì)頻率和基站編號(hào)進(jìn)行調(diào)整。它提供了38 G載頻的生成和調(diào)制。在每個(gè)方向的輸出功率可達(dá)約50 MW。使用連續(xù)相頻移鍵控制作為調(diào)制方案，它對(duì)于多普勒頻移和頻率公差不敏感。在天線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)4個(gè)信道接收，用于空間分集接收(兩個(gè)天線垂直分離)和從2個(gè)移動(dòng)基站天線收發(fā)器接收的位置分集。

DRCU控制一組RBS，基站沿線路安裝并滿足軌道上的每個(gè)點(diǎn)必須能夠目視到相鄰的兩個(gè)RBS，這也是毫米波無(wú)線電通信的前提條件。為了增加可靠性，A通道的RBS與B通道的RBS是交替設(shè)置，信號(hào)的輻射由雙向的天線會(huì)聚，沿軌道發(fā)射。一個(gè)RBS能夠供應(yīng)一個(gè)或多個(gè)軌道。

RBS的設(shè)置應(yīng)在不良天氣時(shí)也能獲得要求的接收?qǐng)鰪?qiáng)，在沿線的位置應(yīng)考慮邊界條件，比如軌道的垂直輪廓、線路的曲率、車(chē)站和維修基地的建筑條、OCS分區(qū)區(qū)段的變化、以及無(wú)線電波的地理?xiàng)l件限制等。通常，RBS的間距為0.3～1.1 km，使用頻率為 37.1 ～38.5 GHz，輸出功率約 0.05 W。RBS位置的確定是為了在沿線各點(diǎn)，至少是兩站之間可以建立無(wú)線聯(lián)絡(luò)，這就保證了車(chē)輛被無(wú)線電100%的覆蓋。

3.4 車(chē)載無(wú)線電子系統(tǒng)

車(chē)載無(wú)線電子系統(tǒng)包括整流罩、組合天線、MRCU。整流罩是車(chē)載無(wú)線電子系統(tǒng)的可見(jiàn)部分，位于車(chē)輛兩端頂部。它們是考慮在500 km/h速度下工作時(shí)應(yīng)具有航空動(dòng)力學(xué)上的低阻抗、低噪聲發(fā)送和堅(jiān)固的要求而設(shè)計(jì)的。當(dāng)然，在毫米波頻率的低插入損失是關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)制造目標(biāo)之一。組合天線位于整流罩的正下方，提供4根天線(仍然是為了空間分集和反方向的接收)。移動(dòng)式天線設(shè)計(jì)成中等的方位發(fā)射角，因?yàn)樗鼈儽仨氃谲壍赖那€和直線路段都能得到最佳的工作效果。數(shù)據(jù)和控制信號(hào)通過(guò)RS422接口連接到車(chē)載無(wú)線電控制單元。車(chē)載無(wú)線電控制單元控制著無(wú)線電系統(tǒng)的移動(dòng)部分，提供移動(dòng)用戶的各種接口。

4 無(wú)線電系統(tǒng)的特點(diǎn)

運(yùn)行控制系統(tǒng)是保證磁浮列車(chē)安全、可靠、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行的核心子系統(tǒng)。地面與列車(chē)間的控制信息能完整無(wú)誤的傳輸，是確保運(yùn)行控制系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。因此，磁浮無(wú)線系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成高冗余高可靠的結(jié)構(gòu)。

4.1 設(shè)備冗余

整個(gè)無(wú)線系統(tǒng)由兩個(gè)完全相同的子系統(tǒng)組成，稱(chēng)為通道A與通道B。兩個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)工作，由各自的控制單元控制地面和車(chē)載收發(fā)器進(jìn)行車(chē)一地?cái)?shù)據(jù)交換。每個(gè)子系統(tǒng)使用各自獨(dú)立的頻段。

4.2 通道冗余

每個(gè)子系統(tǒng)在傳輸本身通道信息的同時(shí)，通過(guò)信息的交換，也傳輸另一通道內(nèi)的信息，然后在接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分配，由相應(yīng)的通道進(jìn)行處理。這樣就大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴＠缤ǖ繟在傳輸本身A信息的前提下，還傳輸通道B的B信息;在接收端通道A不對(duì)B信息進(jìn)行處理，而是直接將B信息傳輸至接收端通道B。

4.3 分集技術(shù)

分集技術(shù)利用多條路徑傳輸相同信息，且各路徑具有近似相等的平均信號(hào)強(qiáng)度和相互獨(dú)立的衰落特性，并在接收端對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜ⅲ员愦蟠蠼档投鄰剿ヂ涞挠绊?，從而改善傳輸?shù)目煽啃?。磁浮線使用了2種分集方法:一種是地點(diǎn)分集，即一列車(chē)上有兩處位置相距較遠(yuǎn)的天線;另一種是空間分集，即每個(gè)無(wú)線電收發(fā)器上有兩個(gè)垂直位置相距10 cm左右的天線。這些不同位置的天線構(gòu)成不同的分集技術(shù)。38 G無(wú)線系統(tǒng)的收發(fā)器具有一個(gè)發(fā)射頻率、兩個(gè)接收頻率。

5 結(jié)語(yǔ)

上海磁浮示范運(yùn)營(yíng)線無(wú)線電通信系統(tǒng)是一個(gè)線性無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，為安全的數(shù)據(jù)通信、語(yǔ)音傳輸及乘客的信息聯(lián)絡(luò)而在車(chē)輛與地面的運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)備之間的傳輸提供雙向的數(shù)據(jù)連接。

用于無(wú)線電傳輸?shù)?8 GHz頻帶工作的毫米波，在速度超過(guò)500 km/h的車(chē)輛上使用時(shí)效最佳。因此，深入了解和研究無(wú)線電系統(tǒng)原理、組成和特點(diǎn)，不但有利于磁浮長(zhǎng)大工程的設(shè)計(jì)工作，也可以應(yīng)用于其它不斷發(fā)展的各種高速交通工具。

［1］吳祥明.磁浮列車(chē)［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［2］Tabbane S.Handbook of Mobile Radio Network［M］.Boston:Arteeh House，Ine.，2000.